太赫兹到红外辐射转换器的设计研究

摘要

太赫兹波是处于红外与毫米波之间，波长在0.03-3mm范围的电磁波，具有一些独特的性质：宽带特性、相干特性、低能量特性、瞬态特性、光谱特征吸收特性、穿透特性等。由于这些特性使得太赫兹波能广泛应用到军事、通信、生物医学、安全检查等领域，受到了国内外广泛的关注和研究。超材料具有负磁导率、负介电常数、负折射率等特性，在太赫兹领域具有很大的发展前景。结合比较成熟的红外探测技术，本文设计了太赫兹到红外辐射转换器，利用超材料吸收结构将太赫兹波吸收并将能量转换成红外辐射，再使用红外探测器进行探测。
　　超材料吸收结构是转换器的核心部分，需要对太赫兹波进行高效地吸收。本文设计了开口环超材料吸收结构，由金属开口环、介质层、金属反射层组成，研究了超材料结构的吸收原理，并利用CST软件进行了仿真，在2.52THz附近达到99％的吸收，分析了超材料结构对太赫兹波的吸收特性，包括表面电流分布、能量分布等。分别对超材料结构的图形尺寸、线条宽度、介质层厚度、太赫兹波入射角等参数进行调整并仿真，研究这些参数对太赫兹响应的影响。基于开口环图形结构，通过调整开口环开口方向设计了多频吸收结构，并做了相应的仿真分析。
　　本文通过光刻、磁控溅射、剥离等工艺在柔性介质薄膜上制备了开口环超材料结构，开口环阵列结构完整均匀，线条宽度为3.5μm左右，与掩模板上的图形基本一致。研究了实验步骤和参数，重点分析了光刻步骤和参数对光刻图形质量的影响，测试并分析了超材料结构对太赫兹波的响应特性，与仿真结果符合。
　　本文将石墨作为红外发射层材料，研究了制备石墨涂层的材料、材料配比、实验详细步骤及参数。制备所得的石墨涂层均匀完整，通过测试分析得到：石墨涂层的红外吸收率随着石墨层厚度增加而增加，当石墨厚度为8μm时，转换器具有小的热容，并且在红外波长为10μm附近，吸收率达到80%左右。

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第一章 绪 论

1.1 太赫兹波概述

1.2超材料结构介绍

1.3 论文选题意义以及主要内容

第二章 太赫兹到红外辐射转换器结构的原理分析

2.1 太赫兹到红外辐射转换器的结构与工作原理

2.2 超材料结构的电磁特性

2.3 超材料结构吸收特性

2.4红外发射层材料分析

2.5 小结

第三章 太赫兹波段超材料吸收结构设计与仿真

3.1 开口环超材料结构的吸收原理

3.2 开口环超材料结构仿真

3.3 开口环超材料结构参数对吸收特性的影响

3.4 多频超材料结构设计与仿真

3.5 小结

第四章 超材料吸收结构的制备实验研究

4.1关键技术概述

4.2 超材料吸收结构制备工艺流程

4.3 开口环超材料吸收结构的形貌和性能表征

4.4 小结

第五章 红外发射层的制备实验研究

5.1石墨材料概述

5.2实验工艺流程

5.3石墨涂层形貌与性能表征

5.4小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果